一种LED外延结构及其生长方法与流程

本申请涉及LED外延设计应用技术领域，特别地，涉及一种LED外延结构及其生长方法。

背景技术：

目前LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产LED的规模也在逐步扩大；市场上对LED亮度和光效的需求与日俱增，如何生长更好的外延片日益受到重视，因为外延层晶体质量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的发光效率、寿命、抗老化能力、抗静电能力、稳定性会随着外延层晶体质量的提升而提升。

CN 201610560181.2公开了一种LED外延接触层生长方法为：

(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃；

(2)将温度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，生长20nm-40nm厚的低温GaN成核层，生长压力为400Torr-650Torr；

(3)低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火之后，将温度调节至900℃-1050℃，继续通入TMGa,外延生长厚度为0.2um-1um间的高温GaN缓冲层，生长压力为400Torr-650Torr；

(4)高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa,生长厚度为1um-3um非掺杂的u-GaN层，生长过程温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-500Torr；

(5)高温非掺杂GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，先生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³；

(6)高温非掺杂GaN层生长结束后,生长多周期量子阱MQW发光层，所用MO源为TEGa、TMIn及SiH₄。发光层多量子阱由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1-yN(y＝0.1-0.3)层的厚度为2nm-5nm，生长温度为700℃-800℃，生长压力为100Torr-500Torr；其中垒层GaN的厚度为8nm-15nm，生长温度为800℃-950℃，生长压力为100Torr-500Torr，垒层GaN进行低浓度Si掺杂，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³；

(7)多周期量子阱MQW发光层生长结束后，生长厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，所用MO源为TMAl，TMGa和Cp2Mg。生长温度为900℃-1100℃，生长时间为3min-10min，压力在20Torr-200Torr，p型AlGaN层的Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

(8)p型AlGaN层生长结束后，生长高温p型GaN层，所用MO源为TMGa和Cp2Mg。生长厚度为100nm-800nm，生长温度为850℃-1000℃，生长压力为100Torr-500Torr，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

(9)高温p型GaN层生长结束后，控制生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100Torr-500Torr，先生长厚度为1nm-20nm的掺杂Mg的p型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，形成Mg:GaN层；

在生长完Mg:GaN后，保持生长温度和生长压力不变，接着生长厚度为0.5nm-10nm的In_xGa_1-xn层，其中，In的组分为10％-50％；

在生长完In_xGa_1-xn层后，保持生长温度和生长压力不变，接着生长厚度为1nm-20nm的n型GaN层，其中，Si的掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³；

生长过程中通入的MO源或气体为TEGa、TMIn、Cp2Mg和SiH₄；

(10)外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。

该制备方法中主要是将传统技术第(9)层中的Mg:GaN层改为使用Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:GaN层。以该方法制备得到的LED外延结构所得的LED芯片的电压相比传统技术有一定的降低和芯片亮度有一定幅度的提高。但本领域在LED芯片电压降低和芯片亮度提高方面还可以进行进一步的研发，以取得更好的效果。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是创新LED外延结构使得其相应的LED芯片的电压进一步降低，同时芯片亮度不降低或有升高；或者是使得相应的LED芯片的电压不升高时，芯片亮度明显升高。

为实现上述目的，本发明提供了一种LED外延结构及其生长方法，

一种LED外延结构生长方法，依次包括：

处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的u-GaN层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长多周期量子阱MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层、生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层、降温冷却，生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层具体为：

先进行低温层P型GaN生长，生长厚度为10nm-100nm，生长温度为700℃-800℃，通入TMGa和Cp2Mg作为MO源，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

再进行温度渐变层非掺杂GaN生长，该过程不通入Cp2Mg，生长厚度为10nm-50nm，生长温度为由低温P型GaN温度渐变为高温P型GaN温度；

最后进行高温层P型GaN生长，生长厚度为10nm-100nm，生长温度为900℃-1000℃，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

低温P型GaN层、温度渐变非掺杂GaN层、高温P型GaN层的生长压力均为100Torr-500Torr。

经过试验发现，当采用单一的温度生长p型GaN层时，或多或少会有一定的缺陷。如仅采用高温生长p型GaN层，可能会对已生长完成的MQW造成破坏；当仅低温生长p型GaN层，则可能晶体质量较差，杂质缺陷较多，影响发光效率。因此本发明采用低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式生长p型GaN层来替代原有的生长方法，能产生降低电压和提高亮度的效果。

特别地，将蓝宝石衬底在H₂气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃；

降低温度至500℃-620℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，通入NH₃和TMGa，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层；

在低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，将退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火完成后，将温度调节至900℃-1050℃，生长压力控制为400Torr-650Torr，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层。

在高温GaN缓冲层生长结束后，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，通入NH₃和TMGa，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层；

在非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，先生长一层掺杂Si浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，其中，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

在非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作为MO源，发光层多量子阱由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，具体为：

保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度700℃-800℃，生长掺杂In的厚度为2nm-5nm的In_yGa_1-yN量子阱层，y＝0.1-0.3；

接着升高温度至800℃-950℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，生长厚度为8nm-15nm的GaN垒层，其中，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³，

重复In_yGa_1-yN量子阱层的生长，然后重复GaN垒层的生长，交替生长In_yGa_1-yN/GaN发光层，控制周期数为5-15个。

在多周期量子阱MQW发光层生长结束后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、温度900℃-1100℃，通入TMAl、TMGa和Cp2Mg作为MO源，持续生长厚度为50nm-200nm的P型AlGaN层，生长时间为3min-10min，其中Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

进一步地，p型AlGaN层生长结束后，生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层。

进一步地，低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层生长结束后，生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层，

先生长P型InGaN层(Mg:InGaN)，所用MO源或气体分别为TEGa、TMIn和Cp2Mg，In组分为3％-30％，Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生长厚度为1nm-10nm；

再生长GaN层，所用MO源或气体为TEGa，生长厚度为0.5nm-10nm；

最后生长n型InGaN层(Si:InGaN)，所用MO源或气体分别为TEGa、TMIn和SiH₄，In组分为3％-30％，Si掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生长厚度为1nm-10nm；

Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层的生长压力均为100Torr-500Torr，生长温度均为700℃-1000℃。

进一步地，外延生长结束后，将反应室的温度降低至650℃-800℃，采用纯N₂氛围进行退火处理5min-10min，然后将至室温，结束生长。

一种LED外延结构，在厚度方向上依次包括衬底、低温GaN成核层、高温GaN缓冲层、非掺杂的u-GaN层、掺杂Si的n-GaN层、多周期量子阱MQW发光层、P型AlGaN层、依次生长的低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层以及依次生长的Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层。

进一步地，低温GaN成核层的厚度为20nm-40nm、高温GaN缓冲层的厚度为0.2um-1um、非掺杂的u-GaN层的厚度为1um-3um、掺杂Si的n-GaN层的厚度为2um-4um、多周期量子阱MQW发光层的厚度为50nm-300nm、P型AlGaN层50nm-200nm、高温P型GaN层的厚度为100nm-800nm。

进一步地，低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层中，低温P型GaN层的生长厚度为10nm-100nm；温度渐变非掺杂GaN层的生长厚度为10nm-50nm；高温P型GaN层的生长厚度为10nm-100nm。

进一步地，Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层中，P型InGaN层，即Mg:InGaN的生长厚度为1nm-10nm；GaN层的生长厚度为0.5nm-10nm；n型InGaN层，即Si:InGaN的生长厚度为1nm-10nm。

本发明具有以下有益效果：

本发明把传统的p型GaN层设计为先低温生长P型GaN层，提供较多空穴进入量子阱区域和通过低温更好地保护量子阱；再通过生长温度渐变非掺杂GaN层，修补低温生长的缺陷，并创造有利于高温P型层的空穴迁移的条件；最后通过高温生长P型GaN层，提高材料结晶质量，并继续提供空穴，从而提高整个量子阱区域的空穴注入水平；同时本发明把最后的接触层设计为Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN的结构，通过InGaN与GaN材料的晶格不匹配，从而来诱发压极化场，使界面处积累大量空穴或电子，提高遂穿电流，来降低接触电阻，且接触层最后一层为Si:InGaN比Si:GaN更容易与LED外延结构上面的ITO薄膜形成欧姆接触，从而更有利于降低电压，提高光效。通过这两个方向的设计有效降低LED芯片的工作电压和提高LED芯片的发光效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术的LED外延结构；

图2是实施例1的LED外延结构；

图3是本发明LED外延结构及其生长方法流程图；

图4是采用现有技术方法制得的30mil*30mil芯片的亮度分布图；

图5是采用本发明的方法制得的30mil*30mil芯片的亮度分布图；

图6是采用现有技术方法制得的30mil*30mil芯片的电压分布图；

图7是采用本发明的方法制得的30mil*30mil芯片的电压分布图；

附图标记说明：1、衬底，2、缓冲层GaN(包括低温GaN成核层和高温GaN缓冲层)，3、非掺杂的u-GaN层，4、掺杂Si的n-GaN层，5、多周期量子阱MQW发光层，6、p型AlGaN层，7、高温P型GaN层，7’、低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层，8、Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:GaN接触层，8’、Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

本发明运用VEECO MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H₂或高纯N₂或高纯H₂或高纯N₂(纯度99.999％)的混合气体作为载气，高纯NH3(NH3纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100Torr到1000Torr之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图2)：

步骤1、处理衬底101；步骤2、生长低温GaN成核层102；步骤3、生长高温GaN缓冲层103；步骤4、生长非掺杂的u-GaN层104；步骤5、生长掺杂Si的n-GaN层105；步骤6、生长多周期量子阱MQW发光层106；步骤7、生长P型AlGaN层107；步骤8、生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构GaN层108；步骤9、生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层109；步骤10、降温冷却110，其中：

1、处理衬底，具体为：

将蓝宝石衬底在H₂气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃。

2、生长低温GaN成核层，具体为：

降低温度至500℃-620℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，通入NH3和TMGa，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

3、生长高温GaN缓冲层，具体为：

低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，将退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火完成后，将温度调节至900℃-1050℃，生长压力控制为400Torr-650Torr，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层。

4、生长非掺杂的u-GaN层，具体为：

高温GaN缓冲层生长结束后，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，通入NH3和TMGa，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

5、生长掺杂Si的n-GaN层，具体为：

非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生长一层掺杂Si浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050-℃1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，其中，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

6、生长多周期量子阱MQW发光层，具体为：

非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入TEGa、TMIn和SiH4作为MO源，发光层多量子阱由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，具体为：

保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度700℃-800℃，生长掺杂In的厚度为2nm-5nm的InyGa(1-y)N量子阱层，y＝0.1-0.3；

接着升高温度至800℃-950℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，生长厚度为8nm-15nm的GaN垒层，其中Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³，

重复In_yGa_1-yN量子阱层的生长，然后重复GaN垒层的生长，交替生长In_yGa_1-yN/GaN发光层，控制周期数为5-15个。

7、生长P型AlGaN层，具体为：

在所述多周期量子阱MQW发光层生长结束后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、温度900℃-1100℃，通入TMAl、TMGa和Cp2Mg作为MO源，持续生长厚度为50nm-200nm的P型AlGaN层，生长时间为3min-10min，其中Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

8、生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层，具体为：

p型AlGaN层生长结束后，先进行低温层P型GaN生长，生长厚度为10nm-100nm，生长温度为700℃-800℃，通入TMGa和Cp2Mg作为MO源，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；

再进行温度渐变层非掺杂GaN生长，该过程不通入Cp2Mg，生长厚度为10nm-50nm，生长温度为由低温P型GaN温度渐变为高温P型GaN温度；

最后进行高温层P型GaN生长，生长厚度为10nm-100nm，生长温度为900℃-1000℃，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；

低温P型GaN层、温度渐变非掺杂GaN层、高温P型GaN层的生长压力均为100Torr-500Torr。

9、生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层，具体为：

低温P型GaN层，温度渐变非掺杂GaN层，高温P型GaN层三段式结构的GaN层生长结束后，生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层，先生长P型InGaN层，所用MO源或气体分别为TEGa、TMIn和Cp2Mg，生长温度为700℃-1000℃，In组分为3％-30％，Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生长厚度为1nm-10nm；

再生长GaN层，所用MO源或气体为TEGa，生长温度为700℃-1000℃，生长厚度为0.5nm-10nm；

最后生长n型InGaN层，所用MO源或气体分别为TEGa、TMIn和SiH₄，生长温度为700℃-1000℃，In组分为3％-30％，Si掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生长厚度为1nm-10nm；

P型InGaN层、GaN层和n型InGaN层生长压力均为100Torr-500Torr。

10、降温冷却，具体为：

外延生长结束后，将反应室的温度降低至650℃-800℃，采用纯N₂氛围进行退火处理5min-10min，然后将至室温，结束生长。

根据现有技术的LED的生长方法(背景技术中描述的方法)制备样品1，根据本专利描述的方法制备样品2；样品1和样品2外延生长方法参数不同点在于生长p型GaN层、接触层的方法不一样，本发明低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层、Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层的生长方法参见实施例1中的第8步和第9步，生长其它外延层生长条件一样(生长条件请参考表1)。

样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极70nm，相同的条件下镀保护层SiO₂ 30nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mil*30mil)的芯片颗粒。

样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能，得到的参数参见图4～图7。以下表1为产品生长参数对比表。

表1样品1、2产品生长参数比较

表1中，样品1先生长高温p型GaN层，后生长Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:InGaN接触层结构；样品2采用本发明的生长方式，先生长低温P型GaN层/温度渐变非掺杂GaN层/高温P型GaN层三段式结构的GaN层，后生长Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接触层结构。

结合表1、图4-图7的数据可得出以下结论：

将积分球获得的数据进行分析对比，请参考附图4、图5、图6、图7，从图4、图5数据得出样品2较样品1亮度从540mw左右增加至543.3mw以上，从图6、图7数据得出样品2较样品1驱动电压从3.22V降低至3.197v左右。

本专利提供的生长方法比现有技术生长方法同时提高了大尺寸芯片的亮度和降低了驱动电压。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。